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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Herstellung einer Halbleiteranordnung und insbesondere
auf ein Verfahren zur Bildung eines
Dünnfilm-Halbleiterelements auf einem Substrat.
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In der Vergangenheit wurden verschiedene Verfahren
entwickelt, um eine kristalline Schicht aus einem Halbleiter auf
einem isolierenden Substrat zu bilden und um verschiedene
Typen von Anordnungen auf diesem zu formen. Insbesondere wurde
ein Verfahren entwickelt, um eine monokristalline
Siliziumschicht auf einem Isolatorsubstrat zu bilden und eine
Halbleiteranordnung auf diesem zu formen und so einen
integrierten Schaltkreis zu erzeugen, der SOI ("Silicon on
Insulator") genannte wird; dabei wurde eine intensive
Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet betrieben. Wenn die
SOI-Technik angewendet wird, ist dies nicht nur vorteilhaft
für die Produktion von Hochgeschwindigkeits-ICs, sondern
öffnet auch einen Weg ungestörten CMOST-Schaltkreisen oder zu
dynamischen Speichern mit sehr hoher Weichfehlertoleranz. Es
ist außerdem möglich sein, ein IC mit dreidimensionalem
Aufbau durch sequentielles Stapeln von Halbleiterelementen mit
einer Isolatorschicht auf dem Halbleiterelement zu erhalten.
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Wenn weiterhin eine monokristalline Siliziumschicht mit
niedrigen Kosten auf einem Glassubstrat von großer Fläche
durch die SOI-Technik aufgebaut wird, ist es möglich, eine
großflächige, hochleistungsfähige Anzeigeeinheit des
Flachbrett-Typs herzustellen. Dies könnte eine radikale Innovation
für Anzeigeeinrichtungen, wie beispielsweise Fernsehgeräte
zum an die Wand hängen sein. Trotz dieser großen Erwartungen,
ist die SOI-Technik jedoch noch weit entfernt von einer
praktischen Anwendung, und die Entwicklung von Produkten, die auf
einer solchen Technik beruhen, kann in naher Zukunft nicht
verwirklicht werden.
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Im folgenden werden anhand von Beispielen einige
Probleme der SOI-Verfahren beschrieben.
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Das SOS (Silicon on Sapphire)-Verfahren ist ein seit
vielen Jahren bekanntes Verfahren. Es ist ein Verfahren zum
Bilden eines dünnen Films von Silizium auf Saphir (Al&sub2;O&sub3;)
durch Epitaxie und zum Bilden eines ICs. Trotz der
praktischen Anwendung und kommerziellen Herstellung seit vielen
Jahren, stellt dies nicht den Hauptstrom der SOI-Technik dar
und wird nur in begrenzten Anwendungsgebieten eingesetzt, da
die Produktionskosten des saphirsubstrats höher sind, als die
von Siliziumblättchen und weil zudem Kristalldefekte
auftreten aufgrund des Unterschieds in der Kristallgitterkonstante
zwischen Saphir und Silizium, und es ist schwer, eine
Hochleistungsanordnung herzustellen.
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Im Gegensatz dazu sind neue Verfahren in den letzten
zehn Jahren aufgetaucht, durch welche ein monokristalliner
dünner Siliziumfilm auf der Oberfläche eines
Isolatorsubstrates ohne Kristalleigenschaften gebildet werden kann, wie
beispielsweise SiO&sub2;, Si&sub3;N4, AlN etc. Das Verfahren der
Graphik-Epitaxie ist ein solches neues Verfahren. Wie in Fig. 12
gezeigt, werden Rillen periodisch auf der Oberfläche eines
SiO&sub2;-Substrats 1201 gebildet und amorphes Silizium 1202 auf
diesem aufgestapelt. Dann wird ein Abtastlaserstrahl auf das
Substrat angewendet, um einen teilweise geschmolzenen Bereich
1203 zu bilden, und das Silizium wird in ein Monokristall
umgewandelt. Wenn das Silizium geschmolzen ist, wird ein
Gittermuster auf der Oberfläche des Substrats während der
Rekristallisation gebildet. Die Kristalle sind in Richtung des
Musterwachstums ausgerichtet und die ganzen Oberflächen sind in
Monokristalle verwandelt. Jedoch enthalten die
Kristallschichten, die durch dieses Verfahren gebildet werden, ihre
Kristalldefekte und können nicht als SOI-Anordnungen
verwendet werden.
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In der Zwischenzeit wurde das Zonen-Schmelzverfahren,
das in Fig. 13 gezeigt ist, entwickelt. In diesem Verfahren
wird der gleiche Wafer 1301, wie in Fig. 12, auf einem Tisch
1302 angeordnet und aufgeheizt. Durch Aktivierung eines
langen Kohlenstoffheizers 1303 und Abtasten wird ein linearer
geschmolzener Bereich 1304 auf der Waferoberfläche gebildet,
um einen monokristallinen dünnen Film zu erzeuyen. Durch
dieses Verfahren kann jedoch kein guter Kristall erhalten
werden, da er durch Kohlenstoff von dem Kohlenstoffheizer 1303
kontaminiert ist. Zudem kann der Wafer durch die Hitze
gewellt werden oder der dünne Si-Film kann reißen und das
Verfahren wurde daher in der Praxis nicht verwendet. Die
Temperatur des Wafers wird teilweise auf mehr als den Schmelzpunkt
(1,412ºC) von Silizium erhöht und dieses Verfahren känn daher
nicht für einen dreidimensionalen IC verwendet werden.
Anordnungen auf dem Basismaterial können während der
Monokristallisierung der oberen Siliziumschicht schmelzen und es können
extreme Störungen der Charakteristiken auftreten.
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Ein Elektronenstrahl kann als Heizungseinrichtung
verwendet werden, doch sind die Ergebnisse nicht sehr
befriedigend.
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Zusätzlich zu diesen Verfahren zum Aufbauen von
Monokristallen unter Verwendung von Gittermustern gibt es ein
Verfahren, das laterale Epitaxie genannt wird und in Fig. 14
gezeigt ist. Bei diesem Verfahren wird eine amorphe
Siliziumschicht 1403 auf ein Substrat 1401 aufgeschichtet mit einem
zwischenliegenden SiO&sub2;-Film 1402, welcher auf dem Substrat
1401 des Siliziummonokristalls gebildet ist. In diesem Fall
wird ein Teil der amorphen Schicht in direktem Kontakt mit
der Oberfläche 1404 des Substrats 1401 gebracht. Dann wird
ein Laserstrahl 1405 auf den Wafer eingestrahlt, um den
geschmolzenen Bereich 1406 des Siliziums zu bilden. Wenn in
diesem Fall die Laserstrahlabtastung von dem monokristallinem
Teil 1404 beginnt, wird ein monokristallines Wachstum von
diesem Teil ausgelöst und erstreckt sich auf den SiO&sub2;-Film
1402, und die monokristalline Schicht wird auf dem
Isolierfilm gebildet. Jedoch treten auch in diesem Fall
Kristalldefekte auf, wenn der Strahl sich weg von dem monokristallinen
Bereich bewegt, und es ist nicht inöglich, einen dünnen
monokristallinen Siliziumfilm von hoher Qualität über die ganze
Waferfläche zu bilden.
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Das Verfahren zum lokalen Aufheizen durch Laserstrahl
ist nicht sehr empfehlenswert, weil eine starke thermische
Verformung auf dem Substrat auftritt. Für diese Verfahren ist
es entscheidend, ein monokristallines Substrat aus Silizium
zu haben, weil ein Isolatorsubstrat verwendet wird, welches
durch thermische Oxidation des Siliziumsubstrates und durch
Bildung eines SiO&sub2;-Films darauf erhalten wird. Es nicht
möglich, diesen für die Bildung eines dünnen monokristallinen
Films auf einem Glassubstrat mit einer großen Fläche zu
verwenden, wie bei der Herstellung von flachen
Brettanzeigeeinheiten oft zu sehen ist.
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Wie oben beschrieben wurde, gibt es gegenwärtig eine
Anzahl von Problemen bei den SOI-Verfahren. Diese Probleme
können wie folgt zusammengefaßt werden:
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Zunächst wird die Temperatur des Wafers teilweise auf
mehr als den Schmelzpunkt des Siliziums von 1,412ºC erhöht,
weil das Silizium teilweise zur Rekristallisation geschmolzen
wird. Dies ist im wesentlichen unvereinbar mit
Halbleitereinrichtungsprozessen der Zukunft, welche hauptsächlich in
Richtung von niederen Temperaturen gehen. Insbesondere
verschiedene Elemente von ICS, wie beispielsweise Verdrahtungen,
die durch Rekristallisation gebildet werden, können durch
beträchtliche Beschädigung aufgrund von übermäßigen
Wärmespannungen beeinträchtigt werden.
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Zweitens ist in den Fällen, wo ein Saphirsubstrat oder
ein Siliziumsubstrat, die durch thermische Oxidation erzeugt
wurden, verwendet werden, die Anwendung auf eine
großformatige
Anzeigeeinheit im allgemeinen unmöglich. Es ist
schwierig, ein Substrat von guter Qualität mit großer Fläche
herzustellen, und es gibt außerdem das Problem der erhöhten
Kosten.
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Drittens treten mit Ausnahme der SOS-Verfahren
Kristalldefekte oder Kontamination durch Verunreinigungen in
der Kristallschicht auf, die durch verschiedene SOI-Verfahren
hergestellt wurde, und es ist bisher nicht möglich, ICs zu
produzieren. Für die praktische Anwendung von SOI-Verfahren
ist es notwendig, ein System zu entwickeln, durch welches es
möglich ist, eine monokristalline Siliziumschicht von hoher
Qualität auf einem beliebigen Isolatorsubstrat durch einen
einfachen Vorgang und bei niederer Temperatur zu bilden.
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Um diese Probleme zu lösen, bietet die Erfindung ein
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, welche
eine hochqualitative monokristalline Halbleiterschicht auf
einem Isolatorsubstrat bei niederer Temperatur und mittels
eines einfachen Vorgangs bilden kann.
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Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
einer Halbleiteranordnung angegeben, das die Bildung einer
elektrisch leitenden Schicht über mindestens einem Teil der
Hauptoberfläche eines Substrates umfaßt, wobei die leitende
Schicht ein Oberflächenmuster definiert mit angehobenen
Abschnitten und zurückgesetzten Abschnitten und wobei die
Verbindungen zwischen den hervorgehobenen Abschnitten und den
zurückgesetzten Abschnitten in Form einer Stufe vorliegen,
die im wesentlichen senkrecht zu der Hauptoberfläche des
Substrates ist; und Bilden eines monokristallinen
Siliziumdünnfilmes auf dem Substrat durch ein Zerstäubungsverfahren,
während eine Gleichspannungspotential an die elektrisch leitende
Schicht angelegt ist.
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Die Hauptoberfläche des Substrates kann mit einem
Isoliermaterial gebildet sein oder mit einer elektrisch
leitenden
Substanz. Vorzugsweise wird der dünne Film durch
Zerstäuben unter Verwendung eines inerten Gases gebildet, wenn
der Halbleiterdünnfilm gebildet wird. Vorzugsweise wird die
Längs seite der Stufen der leitenden Schicht in einer solchen
Weise gebildet, dar die Oberfläche der unteren Stufe des
abgestuften Teils durch eine geschlossene Schleife umgeben
wird.
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In dieser Erfindung wird ein Isoliersubstrat, wie
beispielsweise ein Quarzsubstrat oder ein Glassubstrat, als
Substrat verwendet. Zudem kann ein AlN-Substrat, auf welchem
ein Siliziumnitrid, SiO&sub2; etc. aufgestapelt ist (wie in Fig.
11 gezeigt ist), als Substrat verwendet werden. Ein solches
Substrat hat eine hohe thermische Leitfähigkeit und die
Wärme, die von der Anordnung bei einer hohen
Betriebsgeschwindigkeit erzeugt wird, kann wirksam abgeleitet werden.
Selbstverständlich kann ein AlN-Substrat allein genügen.
Weiterhin kann ein Saphirsubstrat, wie es in dem konventionellen
Verfahren verwendet wird, genügen, wobei die
bemerkenswerteste Eigenschaft der vorliegenden Erfindung darin besteht, dar
ein monokristalliner Halbleiter-Dünnfilm von guter Qualität
auf einem Substrat, wie beispielsweise Quarz oder Glas, das
mit niedrigen Kosten erhältlich ist, gebildet werden kann.
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Es ist möglich, diese Erfindung auf ein elektrisch
leitendes Substrat anzuwenden. Beispielsweise kann ein
Isoliersubstrat verwendet werden, das mit einem dünnen Metallfilm
mit Stufen versehen ist oder es kann ein Isolatorsubstrat mit
einer Vertiefung auf seiner Oberfläche und versehen mit einem
dünnen Metallfilm über die ganze Oberfläche verwendet werden.
In anderen Worten kann der monokristalline Halbleiterdünnfilm
auf einem metallischen Dünnfilm aufgewachsen werden.
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Die elektisch leitende Schicht mit gestaffelten Stufen
und auf der Hauptoberfläche des Substrates gebildet kann
beispielsweise ein Metalldünnfilmmuster sein. Das
Metalldünnfilmmuster kann als ein Quadratlochmuster gebildet sein. Es
kann in einer solchen Weise hergestellt sein, dar die
Musterendflächen senkrecht auf der Substratoberfläche 202
stehen. Eine solche Herstellung kann durch normale
Photolithographie durchgeführt werden. Auf diese leitende Schicht wird
ein Gleichspannungspotential angelegt, wenn der
Halbleiterdünnfilm gebildet wird und die Bildung des
Halbleiterdünnfilms wird dadurch gesteuert.
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Die Größe des Gittermusters kann hergestellt werden, wie
es erwünscht ist. Weiterhin ist die Form des Gittermusters
nicht auf ein Quadratlochmuster beschränkt, sondern kann
rechtwinkliges, regulär hexagonales oder regulär dreieckiges
Lochmuster sein. Die Form des Gittermusters hängt eng
zusammen mit der Kristallisierungsrichtung des
Halbleiterdünnfilms. Beispielsweise in einem Quadratlochmuster kann die
(100) Fläche des Si auf der Hauptoberfläche des Substrates
gebildet werden, wobei die (111) Fläche des Si in einem
regulären hexagonalen oder regulären dreieckigen Lochmuster
gebildet werden kann.
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Als Material für die elektrisch leitende Schicht ist W
als am besten geeignet anzusehen, doch ist sie nicht darauf
beschränkt. Beispielsweise kann ein anderes hochschmelzendes
Metall oder ein hochschmelzendes Metallsilicid verwendet
werden. Natürlicherweise wird es ein Metall sein, wie
beispielsweise Al, Cu, Ni, Pd, Pt, Au etc., doch ist es notwendig, die
Wärmebehandlungstemperatur herabzusetzen, um eine Diffusion
dieser Metalle in das Substrat während des
Herstellungsprozesses zu verhindern.
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Um den Halbleiterdünnfilm mit dem angelegten
Gleichspannungspotential auf der leitenden Schicht darüber zu
bilden, kann ein Filmbilden durch eine
RF-DC-Lötungsvorspannungszerstäubungseinrichtung von den gegenwärtigen
Erfindern (japanische vorläufige Patentpublikation Sho 62-287071)
oder ein Zerstäubungsfilm bilden mit einer Vorspannung unter
Hochfrequenzanwendung auf einem Quarzsubstrathalter verwendet
werden.
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In diesem System wird der Halbleiter-Dünnfilm durch die
leitende Schicht mit Stufen und durch ein
Gleichspannungspotential, das bei der Bildung des Halbleiterdünnfilms
angelegt wird, gesteuert, und es ist möglich, einen
monokristallinen Halbleiterdünnfilm von guter Qualität zu erhalten.
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Die obige Beschreibung bezog sich auf den Fall, wo ein
Quadratmuster verwendet wird, doch können auch andere Muster
zur Bildung der leitenden Schicht verwendet werden. Der
Bereich, der von der leitenden Schicht umgeben wird, kann ein
reguläres Hexagon oder ein gleichseitiges Dreieck sein, beide
haben eine Dreifachsymmetrie. In den Fällen, wo diese Muster
verwendet, hat die aufgewachsene Si-Monokristallschicht eine
(111) Orientierung.
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Die Auswahl der (100) oder (111) Orientierung kann in
Hinsicht auf die Bedingung für jede Anordnung getroffen
werden, wobei die experimentellen Ergebnisse nahelegen, dar ein
Film mit (111) Orientierung bessere Kristalleigenschaften
hat. Insbesondere, wenn die Fläche des Teils, der von einem
W-Dünnfilmmuster umgeben ist, auf mehr als 1 cm x 1 cm
vergrößert wird, ist der Unterschied offensichtlich.
Beispielsweise ist der Defektdichtewert niedriger in Monokristallen
mit (111) Fläche.
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Dies legt eine Beziehung mit dem Phänomen nahe, dar die
(111) Fläche leichter wächst, wenn der dünne Film durch
Bestrahlung mit Ionen gezüchtet wird. Der genaue Mechanismus
dieses Phänomens ist bisher nicht bekannt, jedoch kann
angenommen werden, dar der Si-Dünnfilm in einer solchen Weise
wächst, dar die dichteste Fläche und die stärkste
Ionenbestrahlung, d.h. die Si (111)-Fläche senkrecht zur Richtung
der Ionenbestrahlung gewendet ist. In anderen Worten wächst
das Monokristall der (111) Fläche, weil die Ionenbestrahlung
selbst die Eigenschaft der Ausrichtung des dünnen Films zu
der (111) Orientierung hat, und die Dreiwegesymmetriemuster
eine Rolle bei der Bestimmung der Orientierung innerhalb der
Ebene spielen. Daher kann es natürlich sein, (111) Si zu
züchten, anstelle von (100) Si entgegen der Wirkung dieser
Ionenbestrahlung. Auf diese Weise wird ein Dünnfilm mit hoher
Kristalleigenschaft erhalten.
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Als Ergebnis dieser Erfindung kann eine monokristalline
Halbleiterschicht von hoher Qualität auf jedem Typ von
Substrat mit Hilfe eines Niedertemperaturvorgangs gebildet
werden. Auf diese Weise können Halbleitereinrichtungen mit
ultrahoher Geschwindigkeit und Hochleistungsanzeigeeinheiten
des Flachbrett-Typs etc. hergestellt werden.
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Die Erfindung kann in der Praxis auf verschiedene Weisen
ausgeführt werden, und einige Ausführungsformen werden nun
beispielhaft mit Bezug auf die Fig. 1 bis 11 der begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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Fig. 1 (a) - (d) Querschnittsansichten einer ersten
Ausführungsform der Erfindung sind;
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Fig. 2 (a) und (b) eine Ebenen- bzw. eine Querschnittsansicht
eines W-Dünnfilmmusters der ersten Ausführungsform
sind;
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Fig. 3 eine schematische Ansicht einer
RF-DC-Lötvorspannungszerstäubereinheit ist;
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Fig. 4 (a) bis (c) aufeinanderfolgende Ansichten sind, die
den Mechanismus des Kristallwachstums zeigen;
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Fig. 5 (a) und (b) schematische Diagramme von anderen
Beispielen sind, die die Konfiguration der
Vorrichtung um die Hochfrequenzstromquelle der RF-DC-
Lötvorspannungszerstäubereinheit zeigen;
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Fig. 6 (a) und (b) Ebenenansichten sind, die alternative
Beispiele des W-Dünnfilmmusters zeigen;
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Fig. 7 (a) bis (d) Querschnittsansichten zur Verarbeitung
gemäß den Ausführungsformen 2 bis 5 sind;
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Fig. 8 (a) und (b) Querschnittsansichten der
Ausführungsformen 6 und 7 sind;
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Fig. 9 (a) bis (g) Ebenenansichten und Querschnittsansichten
sind, die den Vorgang und die Komposition der
Ausführungsform 7 zeigen;
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Fig. 10 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform 8 ist;
und
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Fig. 11 (a) und (b) eine Querschnittsansicht bzw. eine
perspektivische Ansicht eines anderen Beispiels für
ein Substrat und ein Metallmuster unter Verwendung
dieser Erfindung sind.
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Wohl bemerkt, zeigen die Fig. 12 bis 14 konventionelle
Verfahren. Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht, die das
Grapho-Epitaxie-Verfahren zeigt, Fig. 13 ist eine
perspektivische Ansicht des Zonen-Schmelzverfahrens und Fig. 14 ist
eine Querschnittsansicht des lateralen Epitaxie-Verfahrens.
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Die Fig. 1 (a) bis (d) sind Querschnittsansichten eines
Verfahrens gemäß Ausführungsform 1 dieser Erfindung. Wie in
Fig. 1 (a) gezeigt, wird ein metallischer Dünnfilm 102 aus
Wolfram (W) auf der Oberfläche 101' eines Quarzsubstrates 101
mit einer Dicke von ungefähr 50 nm gebildet. Um diesen Film
zu bilden, kann die Elektronenstrahl-Vakuumverdampfung
verwendet werden. Um einen metallischen Dünnfilm mit dichter und
hoher Kristalleigenschaften zu erhalten, ist es effizienter,
die Filmbildung durch eine
RF-DC-Bindungsvorspannungszerstäubervorrichtung (japanische provisorische
Patentoffenlegungsschrift Sho 62-287071 des vorliegenden Erfinders) oder
durch Zerstäuberfilmbildung unter Anwendung einer Vorspannung
unter hoher Frequenz auf einem Quarzsubstrathalter, wie der
obigen Vorrichtung, durchzuführen.
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Als nächstes wird der dünne Film 102 in ein Muster 102'
mit gewünschter Form durch Photolithographie verarbeitet
(Fig. 1 1(b)). Für die ebene Form dieses Musters wird ein
Dünnfilm mit quadratischem Lochmuster in einem Gitter
angeordnet, wie das Dünnfilmmuster 201 von Fig. 2 (a)). In Fig. 2
(a) ist der Teil, der mit dicken Linien gekennzeichnet ist,
der W-Dünnfilmteil. Wie in Fig. 2 (b) gezeigt ist, ist es
vorteilhaft, in einer solchen Weise zu verarbeiten, daß die
Musterendoberfläche 203 Stufen bildet, die im wesentlichen
senkrecht zur Substratoberfläche 202 sind. Eine solche
Verarbeitung kann durch reaktives Ionenätzen (RIE) durchgeführt
werden.
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Als nächstes wird, wie in Fig. 1 (c) gezeigt ist, Si von
ungefähr 0,1 bis 0,5 um aufgebracht durch Zerstäuben, während
ein Gleichstrompotential auf den W-Dünnfilm anliegt. Dies
wird durch eine
RF-DC-Bondungsvorspannungszerstäubungsvorrichtung (japanische provisorische Patentoffenlegungsschrift
Sho 62-287071) durchgeführt, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
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In dieser Ausführungsform wird die Temperatur des
Substrates auf 320ºC eingestellt, die RF-Leistung beträgt 20 W,
die Targetvorspannung ist -300 V, die Waferhaltespannung ist
-5 V und der Ar-Gasdruck beträgt 1,1 Pa (8 x 10&supmin;³ Torr). Auf
diese Weise wird ein monokristalliner Si-Film 103 über den
ganzen Oberflächenteil 101' mit einer
Filmbildegeschwindigkeit von 20 nm/min gebildet (Fig. 1 (c)). Es wurde
festgestellt, dar der monokristalline Si-Film 103, der so erhalten
wurde, eine (100) Fläche parallel mit der Oberfläche des
Substrates aufweist und das die Kristalle in der (110) Richtung
parallel zu einer Seite des Quadratmusters ausgerichtet sind
(Fig. 2 (a)). Dieser monokristalline Dünnfilm zeigte fast
keine Kontamination durch Kristalldefekte oder Unreinheiten
und war in sehr gutem Zustand.
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Als nächstes zeigt Fig. 1 (d) ein Beispiel, in welchem
ein MOSFET in einem monokristallinenen Siliziumfilm 103 durch
einen normalen Vorgang gebildet wurde. Fig. 1 (d) ist eine
schematische Darstellung, in welcher der rückwärtige Teil des
Dünnfilmmusters vergrößert ist und zeigt die Bildung eines n-
Kanal-MOSFET. In Fig. 1 (d) bezeichnet 103 eine
p-Typ-Monokristall-Siliziumschicht, 104 eine Source-Drain-Einheit, 105
eine Gate-Elektrode, 106 und 106' A' eine Verdrahtung, 107
einen Feldoxidationsfilm, 101 ein Quarzsubstrat und 102' ein
W-Dünnfilmmuster.
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Dieses W-Dünnfilmmuster 102 ist ein Muster, welches nur
zum Zwecke der Anwendung des Gleichstrompotentials und zur
Kontrolle des Kristallwachstums gebraucht wird, wenn das
monokristalle Silizium auf den Quarzsubstrat 101 aufgewachsen
wird. Es kann beispielsweise zusammen mit der Siliziumschicht
entfernt werden, nachdem der monokristalline Film 103 von
Fig. 1 (c) aufgewachsen wurde. Alternativ kann er bis zum
letzten Moment belassen werden, wie in Fig. 1 (d) gezeigt
ist, und kann als eine Elektrode zur Potentialsteuerung des
monokristallinen Films 103 als eine Halbleiterschicht des
MOSFET verwendet werden.
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Die Größe des Gittermusters, das in Fig. 2 (a) gezeigt
ist, kann beliebig verändert werden. Beispielsweise wird die
Breite des W-Dünnfilmmusters 201 mit dem übriggelassenen W
auf das Quadrat des Teils eingestellt werden und ohne W wurde
die Substratoberfläche 202 auf 5 mm eingestellt. Auf diese
Weise ist es möglich, einen monokristallinen Bereich von 5
mm² als einen Chip zu verwenden, ein LSI-Schaltkreis
herzustellen, und das W-Dünnfilmmuster 201 als den Bereich für die
Waferaufteilung, d.h. als Aufspaltungslinie, zu verwenden.
Natürlich kann sowohl die Musterbreite wie auch Quadratmuster
vermindert oder erhöht werden
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Hier ist die Form des Musters und der Querschnitt der
gestaffelten Stufen von vorrangiger Bedeutung. Beispielsweise
wurde ein Quadratmuster als Form des Musters gewählt und ein
Si-Monokristall einer (100) Fläche aufgewachsen. Dasselbe
gilt für ein rechtwinkliges Muster. Wenn ein Muster verwendet
wird, wie es in Fig. 6 (a) oder Fig. 6 (b) gezeigt ist, dann
wird eine (111) Fläche aufgewachsen. In den Fig. 6 (a) und
(b) bezeichnet 601 ein W-Dünnfilmmuster und 602 eine
Substratoberfläche.
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In Hinsicht auf die Querschnittsform der Stufe ist es
wichtig, daß die Stufe des leitenden Materials eine
Längsseite aufweist, die fast senkrecht zur Hauptoberfläche des
Subtrates steht, wie in Fig. 2 (b) gezeigt ist. Es ist
bekannt, dar die Form der Stufe wesentlich bestimmt wird durch
die Kristalleigenschaft des monokristallinen Dünnfilms, der
gebildet wird. Jedoch ist es nicht notwendig, dar sie genau
senkrecht ist. Sie kann in einer solchen Weise geneigt sein,
daß der Winkel der Längs Seite gemessen von der
Substratoberfläche 202, welches die Hauptebene des Substrates ist, 90º ±
20º maximum beträgt.
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Obwohl W als leitender Dünnfilm in dieser
Ausführungsform verwendet wurde, ist das Material nicht darauf
beschränkt. Beispielsweise kann ein anderes
Hochtemperaturmetall oder Hochtemperaturmetallsilicid verwendet werden.
Natürlicherweise können Al, Cu, Ni, Pd, Pt, Au etc. verwendet
werden, doch ist es notwendig, die Wärmebehandlungstemperatur
abzusenken, um eine Diffusion dieser Metalle in das Substrat
während des nachfolgenden Verarbeitungsvorgangs zu
verhindern. In diesen Fällen, wo ein Hochtemperaturmetallsilicid
verwendet wird, gibt es kein Problem einer Reaktion zwischen
dem leitenden Muster 102' und dem monokristallinen Si-Film
103 oder der Diffusion von Metallatomen selbst bei einer
Hochtemperaturbehandlung von ungefähr 1000ºC während des
Herstellungsvorgangs der Halbleitereinrichtung.
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Wie oben beschrieben wurde, ist es möglich, durch das
Verfahren gemäß der Erfindung die Oberfläche des Si-Dünnfilms
zu aktivieren durch Verwendung des Einschusses von Teilchen
mit einer relativ niedrigen Energie von 20 bis 30 eV und
einen guten monokristallinen Si-Dünnfilm durch einen
Niedertemperaturvorgang für die Rekristallisation des Si zu
erhalten. Die Temperatur des Substrates während des Vorgangs
wird durch die Temperatur fixiert, die durch die Aufheizung
des Substrates bestimmt wird. In der Ausführungsform 1 war
die Temperatur des Substrates auf 350ºC eingestellt, wobei
diese Temperatur niedriger oder höher sein kann, wenn dies
notwendig ist. In jedem Fall, da die Rekristallisation bei
einer Temperatur weit unterhalb von 1412ºC durchgeführt wird,
dem Schmelzpunkt von Si, tritt keine thermische Spannung auf,
und es gibt sehr geringe Probleme, wie beispielsweise
Kontamination. Entsprechend kann ein Dünnfilm mit ausgezeichneten
Kristalleigenschaften erhalten werden.
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Zudem ist es nicht notwendig, das Basismaterial auf eine
hohe Temperatur aufzuheizen, und das Verfahren kann leicht
auf einen dreidimensionalen IC angewendet werden, welcher
durch Übereinanderstapeln von Elementen in vielen Schichten
gebildet wird. Weiterhin ist es nicht notwendig, ein teures
Substrat, wie beispielsweise Saphir, monokristallines
Si-Substrat etc., zu verwenden, da ein Halbleitermonokristall mit
guter Qualität erhalten werden kann mit einem billigen
Substrat, wie beispielsweise Glas. Außerdem kann die Vorrichtung
von Fig. 3 in großen Formaten hergestellt werden und es ist
möglich, eine großformatige Flachbrettanzeigeeinheit mit
hoher Leistungsfähigkeit durch Aufwachsen eines
Siliziummonokristalls auf dem Glassubstrat von ungefähr 10 cm² und durch
Kombination mit einer Flüssigkristallanzeige zu erhalten.
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Wie oben beschrieben wurde, hat die Ausführungsform 1
dieser Erfindung eine Anzeige von herausragenden
Eigenschaften im Vergleich mit den konventionellen Verfahren.
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In der Ausführungsform 1 wird die Musterung des
Metalldünnfilms auf dem Isolatorsubstrat ausgeführt, wie in
Fig. 1 (b) gezeigt ist. Die abgestufte Form des Metallfilms
wurde gebildet durch vollständiges Entfernen des Films auf
dem Bildungsbereich des monokristallinen Siliziums. Wie aus
der Beschreibung von Fig. 4 (a) und (b) ersichtlich ist, ist
die abgestufte Form von wesentlicher Bedeutung, um einen
Halbleitermonokristall mit guter Qualität zu erhalten,
während die Orientierung des Kristalls bestimmt werden kann
durch Mustern oder Formen der freiliegenden Bereiche des
Substrates.
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Ein Mechanismus zum Bilden eines Halbleiter-
Monokristalldünnfilms auf der Oberfläche des Substrates durch
das Verfahren dieser Erfindung wird nun beschrieben. Um ein
Gleichspannungspotential anzulegen, wird beispielsweise eine
RF-DC-Bondungsvorspannungszerstäubervorrichtung (japanische
provisorische Patentoffenlegungsschrift Sho 62-287071)
verwendet, wie in Fig. 3 als bevorzugtes Beispiel gezeigt ist.
Diese Vorrichtung umfaßt eine Vakuumkammer 303, die mit einem
Gasversorgungssystem 301 versehen ist, um ein
ultrahoch-reines Ar-Gas und H&sub2;-Gas zuzuführen, und weiterhin versehen ist
mit einem Ultrahoch-Vakuumablaßsystem 302. Ein Target 304 und
ein Waferhalter 305 sind in dieser Kammer vorgesehen. In dem
Fall, wo ein Siliziumblock mit einer festgelegten Menge an
zugegebenen Unreinheiten, wie beispielsweise As, P, B etc.,
als Target 304 verwendet wird, wird eine
Hochfrequenzspannungsquelle 306 von 100 MHZ von außerhalb angeschlossen.
Zudem ist eine Gleichspannungsstromquelle 307 an das Target
angeschlossen durch einen Hochfrequenzfilter (Tiefpaßfilter).
Das Quarzsubstrat 309 mit einem Dünnfilmmuster 308 wird auf
dem Waferhalter 305 befestigt und elektrisch mit dem
W-Dünnfilmmuster 308 durch einen Pin 310 verbunden. Dadurch ist das
Potential des W-Dünnfilmmusters eine kontrollierte
Gleichspannungsquelle 311, die durch einen Hochfrequenzfilter von
außerhalb angeschlossen ist.
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Die wichtigen Parameter der Dünnfilmbildung sind
beispielsweise die Menge des Ar-Gases, das auf der
Dünnfilmoberfläche während des Wachstums eingestrahlt wird, die
kinetische Energie der einzelnen Ionen etc. können frei und
unabhängig gestrahlt werden zusammen mit der
Filmformationsgeschwindigkeit des Dünnfilms. Insbesondere die Plasmadichte,
d.h. die Konzentration der erzeugten Ar-Ionen kann durch die
Leistung der Hochfrequenzquelle 306 gesteuert werden. Auf der
anderen Seite kann das Zerstäuberfeld des Targets bestimmt
werden durch das Gleichspannungspotential auf dem Target. Die
Filmformationsgeschwindigkeit wird durch die Kombination der
Hochfrequenzleistung und der Gleichspannung des Targets
bestimmt. Das liegt daran, daß die kinetische Energie der
Ionen, die auf das Target einfallen und die Menge der Ionen
unabhängig voneinander gesteuert werden können. Durch Steuerung
des Gleichstrompotentials des Waferhalters wird die Energie
der Ar-Ionen, die auf die Si-Dünnfilmoberfläche während des
Wachstums auftreffen, festgelegt, und die Menge der
auftreffenden Ionen kann durch Steuerung der Hochfrequenzleistung
bestimmt werden. Durch diese Funktion ist es möglich, die
kristallographischen Eigenschaften des Dünnfilms, der auf dem
Substrat 309 aufgestapelt ist, frei zu steuern.
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In einem bevorzugten Beispiel ist ein Halbleiterdünnfilm
auf einem Substrat aufgebracht, das das Metalldünnfilmmuster
von Fig. 2 in der Vorrichtung von Fig. 3 aufweist.
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Fig. 4 (a) bis (c) sind schematische Zeichnungen, um den
Mechanismus des Kristallwachstums zu erklären, wobei 401 ein
Quarzsubstrat bedeutet, 402 einen W-Metalldünnfilm, 403 ein
Si-Atom und 404 Ar-Ionen. Die Bedingungen für das Stapeln
sind: RF-Leistung 20 W, Targetspannung -300 V,
Waferhaltespannung -5 V, und Ar-Gasdruck 1,1 Pa (8 x 10&supmin;³ Torr). Die
Ergebnisse des Experimentes zeigen, dar das fließende
Potential der Oberfläche des Isolatorsubstrates ungefähr bei 0 V
liegt, und das Potential des Plasmas ungefähr +20 V unter
diesen Bedingungen beträgt. Die Werte des Potentials werden
bestimmt gemäß den Charakteristiken der einzelnen
Vorrichtungen, der Form der Vorrichtung etc., und die Einstellbedingung
ist nur ein Beispiel.
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Fig. 4 (a) zeigt schematisch die Bedingungen in einer
frühen Stufe, wenn der Si-Dünnfilm gebildet wird. Vor der
Bildung des Films wird die RF-Leistung auf ungefähr 5 W
eingestellt, und das Targetpotential auf -20 bis -30 V, das
Waferpotential auf 5 bis 10 V, und die Ar-Ionen und H-Ionen
werden auf die Oberfläche des Plasmas eingestrahlt, und die
absorbierte Feuchtigkeit und Kohlenstoff werden entfernt. Die
Si-Atome, die an dem Target zerstäubt werden, erreichen die
Oberfläche des Substrates 405, lagern sich daran an und
liegen darauf auf. Natürlich haften und lagern sie auch auf dem
W-Dünnfilm 402. Gleichzeitig nähern sich die Ar-Ionen
ebenfalls der Substratoberfläche und bestrahlen die Oberfläche
des Substrates oder die aufgelagerte Si-Oberfläche. Die
Bestrahlungsenergie der Ar-Ionen ist gleich der
Potentialdifferenz zwischen dem Plasma und der Substratoberfläche und
beträgt ungefähr 20 eV in diesem Fall. Bei dieser Energie wird
die Nuklearerzeugung auf der Substratoberfläche und die Si-
Atommigration aktiviert, und das Wachstum der Si-Kristalle
wird beschleunigt. In der frühen Stufe der Si-Dünnfilmbildung
haben die Kristallkörnchen verschiedene Orientierungen in
kleinen Inseln, wie in Fig. 4 (a) gezeigt ist.
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Fig. 4 (b) zeigt die Bedingungen, in welchen die bis
dahin gewachsenen Kristallkörnchen in einem durchgehenden Film
über die ganze Oberfläche des Substrates, das von dem
W-Dünnfilm 402 umgeben wird, aufweisen. Unter diesen Bedingungen
ist der Si-Dünnfilm 406 elektrisch mit dem W-Dünnfilm 402
verbunden, und das Potential wird gleich der
Potentialspannung -5 V des Waferhalters. Entsprechend wird der Si-Dünnfilm
durch Ar-Ionen mit einer Energie von ungefähr 25 eV von
diesem Zeitpunkt an bestrahlt. Bei der Bestrahlung der Ar-Ionen
mit Energie hört die Bindung zwischen den Si-Atomen über den
ganzen aufgebrachten Si-Dünnfilm auf zu existieren, und jedes
Si-Atom kann sich frei bewegen.
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Wenn weiterhin die Si-Atome sich bewegen und die
Filmdicke des Dünnfilmes größer wird, wird die kinetische Energie
der Ar-Ionen, die an die Si-Atome über der untersten Schicht
übertragen wird, allmächlich vermindert, und die
Kristallisation beginnt von der untersten Schicht an. Wenn
beispielsweise Muster verwendet werden, wie sie in Fig. 2 (a) und (b)
gezeigt sind, dann wird die (100) Fläche von Si aufgewachsen.
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Dies kann daran liegen, daß eine Neuanordnung auftritt, um
die freie Energie des gesamten Films zu minimieren im
Vergleich zur makroskopischen Form des W-Dünnfilms 402. Dies ist
schematisch in Fig. 4 (c) gezeigt.
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Die Dicke des Si-Dünnfilms erhöht sich danach mit der
verstrichenen Zeit. In einer Tiefe von mehreren Atomen an der
obersten Fläche wird die Aktivbedingung, d.h. die Bedingung
der freien Bewegung der Atome, beibehalten und die
Kristallisation schreitet nacheinander von den untersten Schichten an
fort. Es ist nicht sicher, wie viele Si-Atomschichten der
Oberfläche eine freie Bewegung der Atome aufweisen, da dies
von der Wachstumsgeschwindigkeit des Dünnfilms, der
Bestrahlungsmenge der Ar-Ionen, der Bestrahlungsenergie etc.
abhängt. Unter den oben beschriebenen Bedingungen ist dies
ungefähr mehrere Atomschichten.
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In diesem Beispiel, wurde das Potential der Oberfläche
405 des Quarzsubstrates 401 mit seiner Isoliereigenschaft auf
ungefähr 0 V eingestellt. Es ist ungefähr gleich zu dem
Gleichspannungspotential der Kammer, da der Waferhalter bei
hoher Frequenz durch den Kondensator 312 in der Vorrichtung
von Fig. 3 geerdet ist und das Waferpotential nicht mit der
hohen Frequenz oszilliert.
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In diesem Fall kann die Hochfrequenzquelle 502 mit dem
Waferhalter 501 verbunden werden, wie in Fig. 5 (a) gezeigt
ist. Dann hat der W-Dünnfilm 503 und die Substratoberfläche
504 das gleiche Gleichspannungspotential. Der Wert dieses
Potentials wird bestimmt durch die Frequenz f&sub1; der
Hochfrequenzleistung, dem Ar-Gasdruck etc., und es ist
möglich, es auf einen beliebigen Wert durch Änderung der
Hochfrequenzleistung einzustellen.
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Die Frequenz f&sub1; der Hochfrequenzquelle, die an den
Waferhalter anliegt, unterscheidet sich von der Frequenz f&sub0;
der Hochfrequenzquelle, die die Entladung innerhalb der
Kammer
erzeugt. Da die Leistung nur da ist, um ein DC-Potential
zu erzeugen, ist es extrem schwer, sie mit der Leistung f&sub0;
zur Anregung der Entladung zu vergleichen. 505 ist ein
Filter, der eine hohe Impedanz bei der Frequenz f&sub1; aufweist und
eine sehr niedrige Impedanz bei der Frequenz f&sub0; aufweist.
Fig. 5 (a) zeigt Parallelschaltkreise von L und C. Die
Resonanzfrequenz (2π (L&sub1;C&sub1;)1/2)&supmin;¹ ist auf einen Wert gleich
f&sub1; eingestellt. Cg ist gegeben, um den Waferhalter von der
Erdung abzuschneiden, so daß das Gleichspannungspotential auf
dem Waferhalter erzeugt wird und Cg ist auf einen ausreichend
hohen Wert eingestellt, so daß (2πf&sub0;Cg)&supmin;¹ und (2π f&sub1;Cg)&supmin;¹
hinreichend klein w&rden. Natürlich kann ein LC-
Reihenresonanzschaltkreis verwendet werden, um effektiv das
gleiche Ergebnis zu erzielen. In diesem Fall ist die
Resonanzfrequenz (2π (LC)1/2)&supmin;¹ auf einen Wert gleich f&sub0;
eingestellt.
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Wie in Fig. 3 erklärt ist, wenn das Potential der
Substratoberfläche und das Potential des W-Dünnfilms auf
verschiedene Werte eingestellt werden und gesteuert wird, kann
das System von Fig. 5 (b) verwendet werden. Dann kann die
Bestrahlungsenergie E&sub1; der Ar-Ionen bis zur Bedeckung aller
Oberflächen des Substrats mit dem Si-Dünnfilm und der
Bestrahlungsenergie E&sub2; nach dieser Bedeckung getrennt durch
Leistung der externen Hochfrequenzquelle 502 und der Spannung
der Gleichspannungsquelle 506 eingestellt werden. Die
Oberfläche kann durch Ar-Ionenbestrahlung mit niedriger Energie
durch Verminderung von E&sub1; hinreichend gereinigt werden und
das Kristallwachstum kann mit dem optimalen Energiewert E&sub2;
durchgeführt werden. Im Gegensatz dazu ist es möglich, die
Bedingung der Substratoberfläche bis zur Bildung eines
Verbindungsfilmes durch Erhöhung von E&sub1; zu aktivieren und
automatisch auf die optimale Energie für die Rekristallisation
umzuschalten, sobald der Verbindungsfilm gebildet ist. Wenn
der spezifische Widerstand des Dünnfilmkristalls hoch ist
oder die Potentialsteuerung des Si-Dünnfilms nicht
hinreichend durchgeführt werden kann, aufgrund der umgekehrten
Bias-Eigenschaft der Schottky-Diode, ist es vorzuziehen, dem
Verfahren von Fig. 5 (a) zu folgen.
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Es ist wünschenswert, die Frequenz f&sub1; der
Hochfrequenzquelle 502 auf einen Wert einzustellen, der sich von der
Frequenz f&sub0; der Targethochfrequenzquelle 306 unterscheidet (Fig.
3). Beispielsweise kann 205 MHz verwendet werden. Zudem ist
es notwendig, einen LC-Antiresonanzschaltkreis, wie
beispielsweise 505 anstelle des Kondensators 312 zu verwenden
(Fig. 3). Die Resonanzfrequenz dieses Schaltkreises ist
gleich f&sub1; und sie hat eine infinite Impedanz zu der
Mochfrequenz zu f&sub1;. Gleichzeitig ist es wichtig, C&sub1; auf einen
solchen Wert einzustellen, dar er eine hinreichend niedrige
Impedanz zu der Frequenz f&sub0; der Hochfrequenzquelle des Targets
aufweist.
(Ausführungsform 2)
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Fig. 7 (a) ist eine Querschnittsansicht der
Ausführungsform 2 gemäß dieser Erfindung. Nach der Bildung des
Metalldünnfilms 702 von ungefähr 100 nm auf dem Isolatorsubstrat
701, das ein Quarz sein kann, wird eine Stufe aus Metall
durch Ätzen von ungefähr 60 nm unter Verwendung eines
reaktiven Ionenätzens mit einem Resist als Maske erhalten. Es ist
möglich, eine monokristalline Siliziumschicht durch den
gleichen Vorgang wie in Fig. 1 (c) für die Ausführungsform 1 zu
erhalten, wenn die hier gezeigte Stufe verwendet wird. Das
heißt, die monokristalline Siliziumschicht kann auf dem
Metalldünnfilm aufgewachsen werden. Der Rest ist gleich zur
Ausführungsform 1.
(Ausführungsform 3)
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Fig. 7 (b) ist eine Querschnittsansicht der
Ausführungsform 3 gemäß dieser Erfindung. Eine Vertiefung 703 wird auf
der Oberfläche des Isolatorsubstrates 701 durch reaktives
Ionenätzen gebildet, und der Metalldünnfilm 704 wird über die
ganze Oberfläche gebildet. Es ist möglich, die
monokristalline Siliziumschicht durch das gleiche Verfahren zu bilden,
wie in Fig. 1 (c) für die Ausführungsform 1 beschrieben
wurde, unter Verwendung der Form der Stufe, wie sie hier
gezeigt ist. Das heißt, die monokristalline Siliziumschicht
kann auf einem Metalldünnfilm aufgewachsen werden. Der Rest
ist gleich zur Ausführungsform 1.
(Ausführungsform 4)
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Fig. 7 (c) ist eine Querschnittsansicht der
Ausführungsform 4 gemäß dieser Erfindung, in welcher ein MOSFET in einer
monokristallinen Si-Schicht 705 hergestellt wird, die auf
einem Metalldünnfilm 702 gebildet wurde. 706 und 706' sind
Source-Drain-Einheiten, 707 ist eine Gate-Einheit und 708
eine Metallverdrahtung. Der Metalldünnfilm 702 kann für die
Potentialsteuerung des MOSFET-Substrates verwendet werden. Es
ist möglich, das Auftreten von abnormalen elektrischen Strom
aufgrund von Fließeffekten des Substrates zu verhindern, die
oft Schwierigkeiten in dem Fall von SOI-MOSFET verursachen.
(Ausführungsform 5)
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Fig. 7 (d) ist eine Querschnittsansicht der
Ausführungsform 5 dieser Erfindung, in welcher ein bipolarer Transistor
in einer monokristallinen Siliziumschicht 705 auf dem
Metalldünnfilm 702 hergestellt wird. 709 bezeichnet ein
Emitter, 710 eine Basis, 711 ein Kollektor und 712 eine
Aluminiumverdrahtung. In diesem Fall ist es effektiv, den
Hochkonzentrationsbereich (z.B. n&spplus;-Bereich) auf einem
Metalldünnfilm zu bilden, welcher zur Kollektorelektrode wird, mit
0,02 bis 0,1 um, und den Hochwiderstandsbereich (z.B.
n&supmin;-Bereich) mit einer gewünschten Dicke zu bilden.
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Mit einem bipolaren Transistor, der durch das Verfahren
gemäß der Erfindung hergestellt wird, ist es möglich, eine
Kollektorschicht 711 zu erzeugen, die dünn genug ist, und die
Kollektorelektrode direkt durch die Metallverdrahtung 702
nach außen zu führen. Auf diese Weise kann der
Reihenwiderstand der Kollektoreinheit in seiner vollen Länge vermindert
werden.
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Weiterhin kann der Film, wie beispielsweise n&spplus;, n&supmin;², p&spplus;,
p&supmin; etc. bei einer Temperatur von 300 bis 320ºC gebildet
werden. Entsprechend gibt es keine Schwierigkeit bei der
Verteilung der Unreinheiten und es ist in jeder Hinsicht geeignet
für Ultrahochgeschwindigkeitsbipolare SLI. Wenn ein Metall
als 701 verwendet wird anstatt eines Isolators, kann der
Reihenwiderstand des Kollektors beträchtlich vermindert
werden und der Wärmewiderstand wird ebenfalls vermindert. Auf
diese Weise ist es möglich, die Charakteristiken des
Hochfrequenzleistungstransistors oder eines Transistors für
Mikrowellen und Millimeterwellen dramatisch zu verbessern.
(Ausführungsform 6)
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Fig. 8 (a) ist eine Querschnittsansicht eines MOS-
Transistors, der die Ausführungsform 6 dieser Erfindung ist.
Der Metalldünnfilm 802 von ungefähr 0,5 um wird auf dem
Substrat 801 des Isolators aufgebracht, und ein SiO&sub2;-Film 803
wird gebildet durch
Zwei-Frequenz-Anregungsspannungszerstäubung. Dann wird eine monokristalline Siliziumschicht durch
das Verfahren gemäß der Erfindung gebildet und ein MOSFET
wird darauf gebildet. der MOSFET mit dem vollständig
fliegenden Si-Substrat 804 wird ein "current overshoot transistor"
genannt. Im Gegensatz zu dem Gate-Input-Puls, welcher mit
hoher Geschwindigkeit ansteigt, wird die pn-Verbindung zwischen
der Source-Einheit 805 und dem Si-Substrat 804 momentan in
Vorwärtsrichtung vorgespannt, und eine grobe Menge von
Elektronen kann von der Source-Einheit 805 zu der Trenneinheit
806 fließen. Dies ist ein Schaltungselement mit niedrigem
Leistungsverbrauch und ist in der Lage, bei einer hohen
Geschwindigkeit, ähnlich zu der von bipolaren Transistoren, zu
arbeiten. Der einzige Verdrahtungsaufbau, der in der Lage
ist, ein Ultrahoch-Geschwindigkeitssignal zu übermitteln, um
einen solchen Transistor anzutreiben und das Übersprechen zu
minimieren, ist der sogenannte
Metall-auf-Metall(M-O-M)-Aufbau, der in der gleichen Figur gezeigt ist, in welcher die
Metallverdrahtung 807 über die Metallelektrode 802 durch die
Isolatorschicht 808 läuft. Folglich bietet die vorliegende
Erfindung zum ersten Mal eine Vorrichtung, welche mit einem
Ultrahoch-Geschwindigkeitsbetrieb sowohl in der Vorrichtung
wie auch im Verdrahtungsaufbau zurechtkommen kann.
(Ausführungsform 7)
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Fig. 8 (b) ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau
von Ausführungsform 7 gemäß dieser Erfindung, in weicher ein
Current-Overshoot-Transistor und eine Verdrahtung und ein
MOM-Aufbau gleichzeitig realisiert sind. In diesem Fall wird
die Metalldünnfilmschicht 809, die für die Herstellung der
monokristallinen Si-Schicht verwendet wurde, als
Elektrodenverdrahtung verwendet. Fig. 9 ist ein Plan eines
Herstellungsvorgangs der Vorrichtung mit diesem Aufbau. Wie
in Fig. 9 (a) gezeigt ist, ist der Metalldünnfilm 901 auf der
Oberfläche des Isolatorsubstrates vorgesehen, und eine
rechtwinklige Öffnung ist eingefügt. Dann wird eine
monokristalline Si-Schicht durch den gleichen Vorgang wie in Fig. 1 (c)
gebildet, und der Si-Dünnfilm 902 nur auf dem Teil
zurückgelassen, welcher zu dem Transistor gewendet ist (Fig. 9 (b)).
Dann wird nur die Zeichnung oder die
Schaltungsverdrahtungsmuster der Source-Gate-Drain (903, 904 und 905) übriggelassen
und die verbleibenden Metallfilme werden durch Ätzen entfernt
(Fig. 9 (c)). Schließlich wird nach dem Durchführen der Gate-
Oxidation die Metall-Gate-Elektrode 906 gebildet (Fig. 9
(d)), und der MOS-Transistor von Fig. 8 (b) ist vollständig.
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Es wird Poliside anstelle der Metallelektrode als Gate
verwendet, und die Gate-Elektrode wird nicht direkt mit der
Gate-Zeichnungsverdrahtung 904 verbunden. Nach der Bildung
des Isolierfilmes über die ganze Oberfläche wird die
Gate-Elektrode
und die Gate-Zeichnungsverdrahtung 904 mit der
Verdrahtung 908 durch das Kontaktloch 907 verbunden (Fig. 9
(e)). Die Querschnittsansicht bei Y - Y' des Aufbaus ist in
Fig. 9 (f) gezeigt. Fig. 9 (g) ist ein Beispiel der
Direktverbindung der Gate-Elektrode 906 mit der
Gate-Zeichnungsverdrahtung 904.
(Ausführungsform 8)
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Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht der
Ausführungsform, die in Fig. 8 dieser Erfindung gezeigt ist, und zeigt
einen MOSFET 1002, der auf einem Glassubstrat 1001 gebildet
ist, und Metallelektroden 1003 und 1004. Wenn der Transistor
1002 eingeschaltet ist, wird das Signal der Metallelektrode
1004 zu der Metallelektrode 1003 übertragen und eine Spannung
ist zwischen diesen und der oberen transparenten Elektrode
1005 angelegt. Die Orientierung eines Flüssigkristalls
zwischen diesen kann dadurch geändert werden oder das Signal
kann in eine optische Information durch dynamisches Streuen
konvertiert werden. Auf diese Weise ergibt sich eine
Anzeigezelle für eine Flachbrettanzeige.
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Im Unterschied zu einem konventionellen Transistor aus
amorphem Silizium kann dies aus einem monokristallinem
Silizium hergestellt werden und ist in der Lage, mit einer hohen
Geschwindigkeit zu arbeiten. Zudem kann die Zuverlässigkeit
des Elementes beträchtlich erhöht werden. Dadurch wird es
möglich, eine Flachbrettanzeigeeinheit mit sehr feiner
Abstufung in einer Größe von 30 cm x 30 cm herzustellen. In einer
solchen Vorrichtung kann der Antriebsschaltkreis aus
monokristallinem Silizium auf einem Glassubstrat hergestellt werden.
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In den obigen Ausführungsformen wurde die Bildung von
monokristallinem Dünnfilm auf Quarz oder Glassubstrat
beschrieben, jedoch sind die Materialien nicht darauf
beschränkt. Beispielsweise kann ein Film 1102 aus
Siliziumnitrid, SiO&sub2; etc. auf einem AlN-Substrat 1001 aufgebracht
werden,
wie in Fig. 11 gezeigt ist. Auf einem solchen Substrat
kann die Wärme, die von der Vorrichtung bei einer hohen
Betriebsgeschwindigkeit ausgeht, effektiv abgeleitet werden,
da es sehr gute Wärmeleiteigenschaften aufweist. Natürlich
kann auch ein AlN-Substrat 1101 schon genügen.
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Weiterhin wurde die Beschreibung auf solche Fälle
beschränkt, wo rechtwinklige, dreieckige oder hexagonale
Muster als Metallmuster verwendet wurden, doch kann auch ein
Parallelgittermuster verwendet werden, wie in Fig. 11 (b)
gezeigt ist. In Fig. 11 (b) ist 1103 ein Isoliersubstrat und
1104 ein Metallmuster. Zudem hat sich die Beschreibung als
Halbleiter im wesentlichen auf Si konzentriert, doch ist es
selbstverständlich, daß ein Halbleiter oder ein
Halbleitermaterial anders als Si verwendet werden kann, z.B. Ge oder ein
anderes Material kann in der gleichen Weisse eingesetzt
werden. Natürlich werden die gegenwärtigen
Filmbildungsbedingungen gemäß den individuellen Materialien oder Zwecken
festgelegt.
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Wie oben beschrieben wurde, ist es durch das Verfahren
gemäß dieser Erfindung möglich, die Oberfläche eines
Halbleiterdünnfilms durch Verwendung der Einstrahlung von
Teilchen mit relativ niedriger Energie zu aktivieren, um eine
Rekristallisation des Halbleiters durchzuführen und um ein
Halbleitermonokristalldünnfilm mit guter Qualität durch eine
Niedertemperaturverarbeitung zu erhalten. Beispielsweise kann
die Rekristallisation von Si bei einer Temperatur weit
unterhalb des Schmelzpunktes von Si von 1412ºC durchgeführt
werden. Entsprechend tritt keine thermische Spannung auf, und
Probleme, wie beispielsweise Kontamination können minimiert
werden. Auf diese Weise kann ein Dünnfilm mit ausgezeichneten
Kristalleigenschaften erhalten werden. Da das Basismaterial
nicht auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird, kann das
Verfahren leicht auf einen dreidimensionalen IC angewendet
werden, welcher durch Lamination der Elemente in vielen
Schichten gebildet wird.
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Durch Auswahl eines Musters für die leitende Schicht mit
Stufen in gewünschter Form, kann die Ebenenorientierung der
gebildeten Halbleitermonokristalle bestimmt werden, und es
ist möglich, die Eigenschaft des Halbleiterdünnfilms in
positiver und leichter Weise zu steuern. Dies trägt zu einer
höheren Reproduzierbarkeit bei; wenn es in einer geschlossenen
Schleife ausgeführt wird, ist es möglich, den
Halbleiterdünnfilm in Blöcken herzustellen.
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Weiterhin ist es nicht notwendig, ein teures Material,
wie beispielsweise Saphir oder Si-Monokristall zu verwenden,
und eine Halbleitermonokristalldünnfilm von guter Qualität
kann unter Verwendung von einem billigen Substrat, wie
beispielsweise Glas, erhalten werden. Weil ein
Halbleitermonokristalldünnfilm von guter Qualität erhalten
werden kann unter Verwendung von jedem Typ von
Isoliersubstrat, kann eine beträchtliche Einsparung bei den
Produktionskosten erzielt werden.
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Da zudem großformatige Vorrichtungen leicht hergestellt
werden können, ist es möglich, monokristallines Silizium auf
einem Glassubstrat von mehreren 10 cm² herzustellen und
beispielsweise eine Flachbrettanzeigeeinheit von hoher
Leistung und grobem Format durch Kombination mit einer
Flüssigkristallanzeige kostengünstig herzustellen.
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Mit einer Halbleitervorrichtung, wie beispielsweise ein
Transistor, der gemäß diesem Verfahren hergestellt wird, kann
eine ultrahohe Arbeitsgeschwindigkeit oder eine beträchtliche
Verbesserung seiner Eigenschaft erzielt werden. Wenn
beispielsweise ein bipolarer Transistor gemäß dem Verfahren
der Erfindung hergestellt wird, kann eine sehr dünne
Kollektorschicht erreicht werden. Die Kollektorelektrode kann
direkt aus dem unteren Teil durch die Leiterschicht ausgeführt
werden, und der Reihenwiderstand der Kollektoreinheit kann
minimiert werden. Zudem kann jeder Typ von Film bei niedriger
Temperatur gebildet werden und das Verfahren ist insbesondere
geeignet für Ultrahoch-Geschwindigkeitsbipolar-LSI, weil
keine Probleme aufgrund der Verteilung der Unreinheiten
auftreten. Insbesondere, wenn ein Metallsubstrat verwendet wird,
wird der Reihenwiderstand des Kollektors beträchtlich
vermindert und der Wärmewiderstand reduziert. Daher können die
Eigenschaften eines Hochfrequenzleistungstransistors oder eines
Transistors von Mikrowellen oder Millimeterwellen
beträchtlich verbessert werden.
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Wenn zudem ein MOSFET beispielsweise hergestellt wird,
kann der elektrisch leitende dünne Film für den
Halbleitermonokristallinen Dünnfilm als Elektrode zur
Potentialsteuerung des Substrates oder als Verdrahtung eingesetzt werden.
Wenn der leitende Dünnfilm zur Potentialsteuerung des
Substrates verwendet wird, wird ein abnormaler Strom aufgrund
des Fließeffektes des Substrates, wie es häufig bei SOI-MOS-
FET beobachtet wird, verhindert. Wenn der leitende Dünnfilm
als Verdrahtungselektrode verwendet wird, kann ein MOSFET
erhalten werden, in welchem ein Current-Overshoot-Transistor
und die Verdrahtung einer MOM-Struktur gleichzeitig
realisiert werden kann. Diese haben zwei Typen von Aufbauten; der
Aufbau eines Schaltelementes, das in der Lage ist, Ultrahoch-
Geschwindigkeitssignale zu übertragen, um ein Transistor bei
einer hohen Geschwindigkeit, wie der eines bipolaren
Transistors, anzutreiben und einen niedrigen Energieverbrauch
aufweist, und eine Verdrahtungsstruktur, um das Übersprechen zu
minimieren. Eine Vorrichtung, die in der Lage ist, mit der
ultrahohen Arbeitsgeschwindigkeit zurechtzukommen, und ein
Element und ein Verdrahtungsaufbau ist zum ersten Mal durch
diese Erfindung geschaffen.
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Kurz zusammengefaßt ist es im Ergebnis dieser Erfindung
möglich, leicht eine monokristalline Halbleiterschicht von
hoher Qualität auf jedem Typ von Isoliersubstrat durch einen
Niedertemperaturvorgang zu bilden und die Herstellung eines
Ultrahoch-Geschwindigkeitshalbleiterelementes, einer
Flachbrettanzeige von hoher Leistungsfähigkeit etc. zu
realisieren. Entsprechend liefert diese Erfindung eine Anzahl von
hervorragenden Eigenschaften im Vergleich mit dem
konventionellen Verfahren.